Raios X: Natureza, Descoberta e Efeito Compton, Exercícios de Cultura

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Raios X e efeito compton

A natureza da luz

Descoberta dos raios X

-^

1895: Experiências com tubos de raios catódicos^ –^

Lenard (auxiliar de Hertz) estudou a propagação dos raioscatódicos fora do tubo (no ar). Verificou que os raios sepropagam a uma distância de poucos centímetros. – Röntgen se propôs a

estudar a fluorescênciaestudar a fluorescência

(fenômeno

de emissão de luz) de certas substâncias. Verificou quede emissão de luz) de certas substâncias. Verificou que substâncias fluorescentes emitiam luz mesmo a umagrande distância do tubo. O que estava provocando essaemissão? Deu o nome de raios X, usado até hoje.

-^

Características dos raios X:^ –^

Ao contrário dos raios catódicos,

não são desviadosnão são desviados

por

campo eletromagnético. – Grande

poder de penetraçãopoder de penetração

Difração

-^

Fenômeno da difraçãoocorre quando o comprimento de onda da luzcomprimento de onda da luzincidente é da mesmaincidente é da mesmaordemordem

de tamanho do alvo

sen

d^

n

φ^

-^

Raios X: λ ~ 10

-^

cm,

estrutura cristalina temdimensões da ordem de 10

cm

Espectro eletromagnético

Natureza da LuzNatureza da Luz

Efeito Compton

ou o

Espalhamento de Compton

É a

diminuição dediminuição de energia

energia

(aumento deaumento de comprimento de onda

comprimento de onda

de um

fóton

de

raio-X

ou de

raio gama

, quando ele interage

com a

matéria

Espalhamento nuclear de ComptonEspalhamento nuclear de Compton

existe, que é a interação

Espalhamento nuclear de ComptonEspalhamento nuclear de Compton

existe, que é a interação

envolvendo

apenas elétronsapenas elétrons

de um átomo.

Espalhamento Inverso de ComptonEspalhamento Inverso de Compton

também existe, onde o

fóton ganha energia (diminuindo o comprimento de onda) pelainteração com a matéria.

Efeito Compton

•^

Raios X incidindo em um material espalham

•^

O que acontece com a frequência dos raiosespalhados?^ –

Frequência

menor (comprimento de onda maior)

-^ Frequência

menor (comprimento de onda maior)

dos raios espalhados – Surpresa!?!

Luz = Onda

-^

Teoria eletromagnética de Maxwell^ –^

Carga em movimento provoca onda

provoca onda

eletromagnética (pense em umtanque com água) – Eletrons

são agitados com a

passagempassagem

-^ Eletrons

são agitados com a

passagempassagem

da onda e vibram na mesmada onda e vibram na mesmafrequênciafrequência

da onda incidente

-^ Raios X monocromáticos = elétronsvibrando na mesma frequência –^ Esperamos ondas com a mesmafrequência das ondas originais.

Representação dedifração na teoriaondulatória

Luz = Partículas

•^

Espalhamento é dado pela colisão departículas (luz + e = luz +e)^ –

Colisões (semelhantes a bolas de bilhar) – Conservação de energia

• momento -^ Conservação de energia
• momento

•^

Qualitativamente vemos:^ –

Energia do fóton incidente > Energia do fóton final

frequência do fóton final < inicial

Energia da luzincidente

Energia da luzespalhada

Energia do elétron

espalhado

θ

φ

θ

φ^

sin

sin e cos

cos

2

2

1

p

p

p

p p^

e

e^

=

=

(^

)

sin

sin e

cos

cos

2 (^22) 2 2

(^21)

2 2 2

θ

φ

θ

φ

p

p

p

p

pe^ e

=

−

Conservação de momento=

Somando membro a membro temos:

sin

cos 2

cos

cos

sin

2 (^22)

(^21)

2 (^22) (^21) 2 2 2 2

θ

θ

θ

φ

φ^

p

pp

p p

p

p^

e

e^

−

=

cos 2

(^21) (^22) (^21) 2

θ pp p p pe^

−

=

Conservação de energia

(^

(^

142 )^

2 (^22)

2 2

1

2 12 (^42)

(^22)

2

1

c m cp cp

c m cp

E

c m cp

c m E

o

e

o

o

e

o

=

∴

=

p pc m pp

p p p^

=^

2 1

(^21)

(^22) (^21) 2

p pc m pp

p p p^

o

e^

Combinando essa equação com a equação ** teremos

(^

)^

(^

cos

1 2 1

−^

pp

p

pc

mo

-^

Medindo-se a luzespalhadaobservamos oefeito compton^ –^

E o elétronespalhado? – Com a câmara de– Com a câmara de nuvens Wilsonconseguiu verificaro espalhamento doelétron, de acordocom o efeitocompton

Efeito Compton^ Mas essa explicação só faz sentido seconsiderarmos a onda eletromagnéticacomo sendo uma partícula (fóton)^ Comprovação independente do postuladode Einstein

Alguns exemplos práticos de raios X

-^

Nesses exemplos veremos os aspectos de onda-partículasestudados até aqui. E veremos que diferentes efeitos ocorremapenas porque estamos em regiões diferentes de frequência(ou energia)^ –^

Raios X para imagens:^ •^

Efeito fotoelétrico: energias da ordem de 87000 eV. Átomos absorvem a energia do fóton emitindo elétrons. Átomos pequenosabsorvem a energia do fóton emitindo elétrons. Átomos pequenos que formam nossos tecidos (C, O, N, H) não interagem com osraios X. Os átomos de Ca (que formam nossos ossos) absorvemestes raios provocando as sombras

-^ Para tratamento radioterápico: -^ Efeito compton: energias da ordem de 1.000.000 eV. Efeitofotoelétrico é raro nessas energias. Ocorre o efeito compton: ofóton interage diretamente com o elétron e transfere energia paraele. A grande energia transferida nesse processo é capaz de mataro tecido cancerígeno.

Referências bibliográficas

-^

Física Moderna, Caruso e Oguri, cap 8.2 e 10.3.

-^

What is Quantum Mechanics? a physics adventure,Transnational college of LEX, cap 1.6 e 1.

-^

How Things Works, L.A. Bloomfield, cap 19.

-^

How Things Works, L.A. Bloomfield, cap 19.